微波无线电能传输

1重庆大学电磁场课题论文设计微波无线电能传输学生：XXX指导教师：XXX专业：电气工程与自动化成绩：优重庆大学电气工程学院二O一四年五月—六月2摘要从人类利用电能以来，都是靠电线来输送电能，但是随着科技的发展与时代的进步，传统的有线输电方式已经显得捉襟见肘甚至无能为力。在人们的生活中，传统的充电与输电形式都是使用的插头、插座与电线，不过这种传统的充电方式在使用过程中，越来越暴露出不便或不安全的弊端。例如给移动的设备供电、为封闭设备供电及未来的太阳能卫星发电站的电能输送问题，无线电能传输与传统的有线输电相比有巨大的优势。所以，为了解决这些问题，现在充电与输电方面重要的研究课题之一就是实现供电与用电之间没有导线或者设备的直接接触，本课题就是对微波无线电能传输（MWPT）进行研究。微波输送电能（MWPT）是一种不需要导线的电能输送技术。波长在无线电和红外线之间的电磁波就是微波，其目前被普遍应用于移动通信、气象雷达、微波炉、和导航等。而微波常被人们用来传送信息等能量，但是作为电能的传输媒质，当下的微波功率还太小。如果我们提高微波的功率，微波就可以用来作为电能的传输媒质，其经过整流天线对高能微波接收整流之后，就可以为负载提供直流电能。微波电能传输方式可用在很多传统输电方式不适合或者不方便的场合，而且也可作为远距离输电，是对传统输电方式的一种有力补充。关键词：MWPT，基本原理，整流天线3目录摘要.........................................................................................................2第一章绪论...........................................................................................41.1引言..................................................................................................41.2微波无线电能传输发展史以及国内外现状....................................................51.2.1MWPT及SSPS技术概述......................................................................51.2.2MWPT的发展史以及研究.....................................................................51.3微波无线电能传输的利弊........................................................................71.4微波无线电能传输的应用以及前景.............................................................7第二章微波无线电能传输的理论基础................................................92.1微波无线电能传输的特性........................................................................92.2微波输电基本原理.................................................................................92.3微波无线电能传输的空间传输理论............................................................112.4微波输电整流原理................................................................................142.4.1整流天线......................................................................................142.4.2整流天线工作原理..........................................................................162.4.3微波无线电能传输的收发天线实例.......................................................16第三章应用前景与发展趋势...............................................................183.1MWPT技术的具体应用...........................................................................183.2MWPT技术的展望.................................................................................19第四章总结..........................................................................................20参考文献................................................................................................234第一章绪论1.1引言自第二次工业革命以来，人类社会便进入了电气化时代。大至遍布全球各地的电网、高压线，小到各种家用电气设备，电能的传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。这种“有线”的传输方式带来了不少问题。由于存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全。另外，传统的有线电力传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如矿井和水中等。随着人类社会经济的发展，各种电子设备得到了广泛的使用，但是太多的电线和插座给人们的生活带来不便。此外，植入体内的医疗设备的长期供电也存在很大的不便。这些问题都在呼唤一脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输。实现无线电能传输将使人类应用电能更加宽广、更加灵活。无线电能传输(wirelesspowertransfer，WPT)，称为无接触式电能传输(contactlesspowertransfer，CPT)，指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。无线电能传输一直是人类的梦想。早在1893年的哥伦比亚世博会上，美国科学家NikolaTesla展示了他的无线磷光照明灯。NikolaTesla利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡。这是人类在无线电能传输初期阶段的重要尝试。1968年，美国航空工程师PeterGlaser提出了建立空间太阳能电站的概念，利用在外太空的卫星，收集太阳能并传输到地球表面上来。随后，美国和日本等主要发达国家相继开展了空间太阳能电站的研究。人类向无线电能传输的梦想前进了一大步。2007年，美国麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology，MIT)的MarinSoljacic教授等人在中等距离无线电能传输方面取得了新进展。他们“隔空”点亮了1盏离电源2m开外的60W灯泡，效率达到了40%。随后，世界各地的研究人员对无线电能传输开展了越来越多的研究。根据传输机理的不同，无线电能传输可以分为几种：无线电能传输电场耦合式磁场耦合式电磁辐射式超声波等微波激光感应式谐振式5本论文在已有的对无线电能传输技术研究和综述的基础上，将对微波无线电能传输进行重点讲述。1.2微波无线电能传输发展史以及国内外现状1.2.1MWPT及SSPS技术概述上世纪60年代初美国人W．C．Brown首先提出了微波无线能量传输(Microwavewirelesspowertransfer,MWPT)的概念，即以微波为载体在自由空间中无线传输大功率电磁能量。1968年美国人P．E．Glaser在此概念上提出了卫星太阳能电站(SSPS)的概念，即在地球同步轨道上的太阳能卫星把接收到的太阳能转换为电磁能，用大功率微波天线定向发射回地面，地面接收整流天线系统(rectenna)将接收到的能量转换为直流电，从而实现太阳能发电的功能。21世纪人类面临着非常严峻的能源形势，太阳能是取之不尽，用之不竭的可再生的干净能源，大规模开发利用太阳能对解决人类的能源危机十分重要。建造SSPS系统的意义就在于可以帮助人类更有效地开发利用太阳能，解决能源问题。在MWPT技术的研究中有两个重点需要特别关注。①：要保证电磁能量的高效传输。MWPT系统主要由高功率微波源、大功率发射天线和接收整流天线构成，微波源的转换效率、发射天线的辐射效率、接收整流天线的接收整流转换效率及微波在开放空间的传输效率共同决定了MWPT系统的能量传输效率。要提高MWPT系统的效率就要研究如何提高各个子系统的效率及选择适当的微波工作频段，减少空间传输损耗。②：要研究大功率微波无线能量传输的生态安全性。对于应用在地面或近地的MWPT系统应该尽可能的不对生态环境造成负面的影响，同时还要保证电磁辐射水平不超过人体、生物组织的安全辐射标准。目前国外研究的几种MWPT系统都是比较安全的，在接收整流天线口径面以外的区域基本都是符合辐射安全标准的，在接收天线口径面内的辐射相对较强，需要在接收系统外围建立保护禁区。1.2.2MWPT的发展史以及研究微波无线电能传输技术（MWPT）是将电能转化为微波，让微波在自由空间中传送到目标位置，再经整流，转化成直流电能，提供直流供电。其发展起源于19世纪末，HeinrichHerz于1888年首次演示了500MHz脉冲能量的产生和传输。他的实验对于认识和证明Maxwell方程中体现的电磁波理论有重要意义，但对于当时缺乏能够将微波能转变为直流电的装置而未能实现，Herz并未想到此项技术在后来可以应用于到电力传输。随后，世界上首次完整的微波能量传输系统的实验完成于1963年，在这个试验中，直流电被转化为400W频率为2.4GHz的微波，再通过一个直径为2.8米的椭圆形反射镜聚焦至7.4m外的椭圆接收器的焦点并被接收，收到到的微波能6图1.2.1量再被转化成104W的直流电，总的传输效率（直流-直流）达到了13%-15%，但尽管实验中将微波转换成直流电的装置的效率达到了50%，但它的使用寿命相当短，并不适合于实际应用。在1964年,Raytheon公司进行了微波供电直升飞机实验,如右图1.2.l所示。系统的接收端采用了一种新的微波一直流电转换器件——硅整流二极管天线,其原理是将接收天线划分成小的区域,每个区域天线收集微波能量,用整流二极管将其转换成直流电。在接下来的几十年里,重量更轻,输出功率更大的硅整流二极管天线被不断研制出来,接收端微波一直流转换效率也大大提高了。1975年,微波能量传输系统的传输总效率提高到了54%,其直流输出功率为495瓦特,频率2446MHz。同年,在Mojave沙漠进行的微波成形束能量传输实验，频率2388MHz的微波能量有84%被硅整流天线阵列接收并转换为3OKW的直流能量,用来点亮天线前端的灯泡阵列。到1975年,完整的WPT理论和技术体系的建立,为其在太空及各方面的应用奠定了坚实的基础。70年代,美国首次论证了空间太阳能发电卫星技术可行性,并建立了5GW的空间太阳能电站参考系统。经过多年的研究和发展,各国在SGW空间太阳能电站“参考系统”基础上